DE3026424C2

DE3026424C2 - Impulsradargerät zum Messen von Windgeschwindigkeiten

Info

Publication number: DE3026424C2
Application number: DE3026424A
Authority: DE
Inventors: Peter Dipl.-Phys. 3410 Northeim Czechowsky; Jürgen Dipl.-Phys. Dr. 3411 Katlenburg-Lindau Röttger; Gerhard Dipl.-Phys. 3400 Göttingen Schmidt
Original assignee: Max Planck Gesellschaft zur Foerderung der Wissenschaften eV
Current assignee: Max Planck Gesellschaft zur Foerderung der Wissenschaften eV
Priority date: 1980-07-11
Filing date: 1980-07-11
Publication date: 1982-10-07
Also published as: DE3026424A1; JPH0147747B2; JPS5729954A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Impulsradargerät gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Es ist bekannt, daß auch Inhomogenitäten der klaren Atmosphäre hochfrequente elektromagnetische Schwingungen im Mikrowellenbereich in ausreichendem Maße reflektieren, so daß die Wanderungsgeschwindigkeiten solcher Inhomogenitäten und damit die Windgeschwindigkeiten in der Atmosphäre durch Radarverfahren bestimmt werden können (Naturwissenschaften 65,1978, S. 285-296).

Es gibt zwei verschiedene Radar-Meßverfahren zur Bestimmung der Windgeschwindigkeit in der oberen Atmosphäre, nämlich das sogenannte DBS-Verfahren und das sogenannte SAD-Verfahren. Das DBS-Vcrfa .-ren (Doppler-Beam-Swinging-Verfahren) ist ein mehr oder weniger konventionelles Doppler-Radarverfahren, das mit einer schwenkbaren, schräg zur Vertikalen verlaufenden Strahlungskeule arbeitet. Beim SAD-Verfahren (Spaced-Antenna-Drift-Verfahren) werden dagegen Radarstrahlungsimpulse im wesentlichen senkrecht nach oben gesendet und die reflektierten Impulse werden von drei Empfangsantennenfeldern, die in verhältnismäßig nahem Abstand nebeneinander angeordnet sind, empfangen. Die Empfangsantennenfel· der »sehen« verschiedene, beabstandete Bereiche einer Radarstrahlung reflektierenden Inhomogenität oder Turbulenz der Atmosphäre und man kann durch Kreuzkorrelation der mit den beabstandeten Antennenfeldern empfangenen Signale feststellen, wie lang eine bestimmte Turbulenz vom Gesichtsfeld des einen Empfangsantennenfelds zum Gesichtsfeld des anderen Empfangsantennenfeldes gebraucht hat. Aus dieser Zeit und dem Abstand der Antennenfeld-Gesichtsfelder läßt sich dann die zur Verbindungslinie d:v Empfangsantennen parallele Horizontalkomponente der Windgeschwindigkeit in dem erfaßten Bereich errechnen. Voraussetzung ist dabei selbstverständlich, daß die Inhomogenität oder Turbulenz auf dem Weg vom Gesichtsfeld des einen Antennenfeldes zum Gesichtsfeld des anderen Antennenfeldes ihre Konfiguration nicht zu stark ändert, diese Bedingung ist jedoch in der Praxis im allgemeinen erfüllt. Der erfaßte Höhenbereich kann in üblicher Weise durch ein »Zeitfenster« bestimmt werden, also durch selektive Erfassung derjenigen reflektierten Signale, die innerhalb eines Zeitintervalles vorgegebener Dauer empfangen werden, welches einen bestimmten zeitlichen Abstand vom Sendezeitpunkt hat.

Das SAD-Verfahren hat hinsichtlich der Meßempfindlichkeit und der geringeren Störungen durch Seitenkeulen gewisse Vorteile gegenüber dem DBS-Verfahren.

Bisher hat man beim SAD-Verfahren eine Sendeantenne in Form eines Feldes aus einer großen Anzahl von Yagi-Einzelantennen verwendet, Als Empfangsantennenfelder hat man jeweils eine kleine Gruppe aus nur vier Yagi-Einzelantennen verwendet, die getrennt vom Sendeantennenfeld und im Abstand von diesem sowie voneinander angeordnet waren. Kleinflächige Empfangsantennenfelder wurden bisher als erforderlich gehalten, um die für die Korrelation erforderliche Auflösung zu gewährleisten, siehe z. B. Geophysical

Research Letters, 5, 1978, S.917-920; journal of Atmospheric and Terrestrial Physics, 42, 1980, S. 823-833 und Radio Science, 15,1980, S. 319-335.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein bekanntes SAD-Impulsradargerät der eingangs genannten Art dahingehend zu verbessern, daß einerseits die Meßempfindlichkeit erhöht und andererseits der Aufwand erniedrigt werden.

Diese Aufgabe wird bei einem Impulsradargerät der eingangs genannten Art erfindungsgemäß durch im ι ο Kennzeichen des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Weiterbildungen und vorteilhafte Ausgestaltungen des Impulsradargerätes gemäß der Erfindung sind Gegenstand von UnteranEprüchen.

Bei dem Impulsradargerät gemäß der Erfindung werden Teile des Sendeantennenfeldes gleichzeitig auch als Empfangsantennenfelder verwendet. Vorteilhafterweise hi das ganze Sendeantennenfeld in drei Einzelantennengruppen unterteilt, wobei diese Einzelantennengruppen jeweils verhältnismäßig viele Dipole enthalten und jeweils ein Empfangsamennenfeld bilden. Es hat sich nämlich überraschenderweise geneigt, daß auch die mit verhältnismäßig großflächigen Empfangsantennenfeldern erhaltenen Signale eine einwandfreie Korrelation ermöglichen. Dadurch daß die Empfangsantennenfelder eine größere Anzahl von Einzelantennen enthalten als bisher, wird die Empfindlichkeit des Gerätes erhöht. Durch die Mehrfachausnutzung der Einzelantennen sowohl zum Senden als auch zum Empfang werden sowohl der Investitionsaufwand als auch der Bedarf an benötigter Grundfläche verringert

Das impulsradargerät gemäß der Erfindung arbeitet vorteilhafterweise im VHF-Bereich und eignet sich für Messung der Horizontalkomponenten der Windgeschwindigkeit in der Troposphäre und Stratosphäre.

Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert. Es zeigt

F i g. 1 eine schematische Darstellung zur Erläuterung des Prinzipsrles SAD-Verfahrens;

F i g. 2 ein Blockschaltbild eines Impulsradargerätes gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;

F i g. 3 ein Schaltbild eines Teiles des Gerätes gemäß F i g. 2;

Fig.4 eine schematische Draufsicht auf eine bevorzugte Ausführungsform des Antcnnensystems des Gerätes gemäß F i g. 2. und

F i g. 5 eine Darstellung der Anordnung der Einzelantennen in den in Fig.4 durch Quadrate dargestellten Antennenfelder.

Wie in Fig. 1 schematisch dargestellt ist, wird bei einem nach dem SAD-Verfahren arbeitenden Impulsecho-Radargerät von einem Sendeantennenfeld 10 eine Folge von Hochfrequenzschwingungsimpuisen 12 im wesentlichen senkrecht nach oben abgestrahlt. Die Impulse 12 werden an einer Turbulenz 14 der Atmosphäre, die sich mit einer Geschwindigkeit u fortbewegt, reflektiert. Die reflektierten Impulse werden von zwei Empfangsantennenfeldern 16 und 18 empfangen und Hochfrequenzempfängern 20 bzw. 22 zugeleitet.

Die Empfan|£^!iantennenfelder 16 und 18 »sehen« verschiedene Sollen 14a bzw. 146 der Turbulenz 14. Nach einer gewesen Zeit wird die Stelle HöandemOrt angekommen st'in, wo sich vorher die Stelle 14a befand. Wenn sich die Konfiguration der Turbulenz 14 nicht wesentlich ändt'U, »sehen<( die beiden Empfangsantennenfelder 16 und 18 also das gleiche Turbulenzprofil, nur in einem zeitlichen Abstand, der der Wanderungsgeschwindigkeit der Turbulenz vom Gesichtsfeld des einen Empfangsantennenfeldes· zum Gesichtsfeld des anderen Empfangsantennenfeldes entspricht. Diese Zeitverschiebung wird durch einen Korrelator 24 ermittelt Das Höhenfenster H, in dem die Wanderungsgeschwindigkeit der Turbulenz 14 gemessen wird, ist durch den Laufzeitbereich der Hochfrequenzimpulse bestimmt. Durch Erfassung einer Vielzahl aneinander angrenzender Höhenfenster läßt sich ein Höhenprofil der Wanderungs- oder Driftgeschwindigkeiten ermitteln und durch ein Sichtgerät 26 oder einen Schreiber darstellen.

Das anhand von F i g. 1 beschriebene bekannte SAD-Radargerät enthält ein relativ großflächiges Sendeantennenfeld 10 und zwei ziemlich kleine und vom Sendeantennenfeld 10 getrennte Empfangsantennenfelder 16 und 18. Im Gegensatz dazu enthält das in F i g. 2 dargestellte erfindungsgemäße Impulsradargerät ein Antennensystem 30, das drei Sektoren 32, 34 und 36 enthält Das Antennensystem 30 als ganzes arbeitet als Sendeantennenfeld, während die Sektoren 32,34 und 36 jeweils einzeln als Empfangsantennenfelder verwendet werden. Vorteilhafterweise sind die Sektoren 32,34 und 36 relativ großflächig und bestehen jeweils aus einem Drittel ties ganzen Antennensystems.

Die Sektoren 32, 34 und 36 des Antennensystems 30 sind über jeweils einen Umschaltkontakt eines Sende-Empfangs-Schalters 38 wahlweise an einen gemeinsamen Hochfrequenzsender 40 oder einzein an individuelle Empfangskanäle 42, 44 bzw. 46 anschließbar. Der Hochfrequenzsender arbeitet vorzugsweise im VHF-Bereich und kann einen Oszillator 48 sowie einen Leistungsverstärker 50 enthalten. Bei dem in F i g. 2 dargestellten Ausführungsbiispiel ist der Oszillator 48 durch einen Hauptoszillator 52 synchronisiert, der außerdem Signale für die Demodulation der empfangenen Hochfrequenzschwingungen an die Empfangskanäle 42,44 und 46 liefert.

In F i g. 2 ist nur der Empfangskana! 42 etwas genauer dargestellt, die anderen Empfangskanäle 44, 46 sind in gleicher Weise aufgebaut. Der Empfangskanal 42 enthält einen Hochfrequenzempfangsteil 54, der vorteilhafterweise so aufgebaut ist, wie es anhand von Fig.3 erläutert werden wird. Der Empfangste'! 54 ha¹, zwei Ausgänge 54a, 546, an denen ein der Amplitude bzw. dem Realteil des empfangenen Signals entsprechendes Ausgangssignal Re bzw. ein der Phase, d. h. dem Imaginärteil des empfangenen Signals entsprechendes Ausgangssignal Im auftreten. Die Ausgänge 54a und 546 sind mit entsprechenden Eingängen einer Bereichs-Multiplexschaltung 56 verbunden. Die Bereichsmultiplex schaltung enthält einen Abtastschalter und zerlegt die en:pfa/rgenen Signale in eine Folge von Bereichs- oder Höhenfenster H, die den einzelnen Höhenbereichen entsprechen, und zwar sowohl für den Realteil als auch für den Imaginärteil. Für jeden Höhenbereich entsteht also ein Realteil- und ein Imaginärteil-Bereichssignal. Die verschiedenen Bereichssignale werden durch eine Tiefpaß- oder Akkumulatorschaltung 58 phasenrichtig aufaddiert (z. B. für jeweils über 500 empfangene Impulse), um inkohärente Rauschstörungrn herauszumitteln und den Störabstand zu verbessern. Die gemittelten Signale werden dann durch einen zweiten Multiplexteil 60 der Reihe nach abgetastet, und zwar jeweils paarweise die zusammengehörigen Realteil- und Imaginärteil-Bereichssignale, und die abgetasteten Bc-

reichssignalpaare von jeweils zweien der F.mpfangskan.tie 42, 44 und 46 werden einem komplexen Korrelator 62 zugeführt. Der komplexe Korrelator 62 ermittelt die Zeitversehiebung zwischen den Strukturen der zugeführtcn Signale und damit die Zeit, die die gemessene Turbulenz gebraucht hat, um vom Gesichtsfeld des dem einen Empfangskanal zugeordneten Empfangsantennenfeld zum Gesichtsfeld des dem anderen Empfangskanal zugeordneten Empfangsantcnnenfeldes zu gelangen. Da der Abstand der Gesichtsfelder der Empfangsüntennenfelder bekannt ist (er kann z. B. durch Eichen der Anlage mit einem Flugzeug ermittelt werden), läßt sich aus tier ermittelten Zeit und der durchlaufenden Strecke die llorizontalgeschwindigkeitskomponente errechnen, die parallel zur Verbindung der Mitten der betreffenden Empfangsantcnnenfelder verläuft.

Die Aiisgangssignale des Korrelators 62 können durch einen Schreiber 64 ausgedruckt, durch ein Sichtgerät 66 dargestellt oder durch ein Telemcntriesystem OS zu einer zetiiraien Daienvci citbc-uurigssiCuC übertragen werden.

F i g. 3 zeigt eine vorteilhafte Schaltungsanordnung für den I lochfrequenzempfangsteil 54. Der in F i g. 3 dargestellte Hochfrequenzempfangsteil 54 enthält einen Fingangstcil 70. der einen Hochfrequenzverstärker sowie eine oder mehrere Mischstufen enthalten kann und ein Zwischenfrequenz.signal an einen Zwischenfrequenzverstärker 72 liefert. Der Ausgang des Zwischcnfrequenzverstärkers ist an zwei Synchrondemodulatoren 74 und 76 angeschlossen. Dem Synchrondemodulator 74 wird eine Demodulationsschwingung vom Hauptoszillator 52 direkt und phasengleich mit der dem Sender 40 zugeführten Synchronisationsschwingung zugeführt, während dem Demodulator 76 die Demodulationsschwingung vom Hauptoszillator 52 über einen W - Phasenschieber 78 zugeführt wird. Der Ausgang des Demodulators 74 ist mit der Leitung 54a verbunden und liefert das Realteil-Signal Rc, während der Ausgang des Demodulators 76 mit der Ausgangslcitung 546 verbunden ist und das Imaginärteilsignal Im liefert.

In den F i g. 4 und > ist ein vorteilhaftes Antennenss sicm JO dargestellt. Das Antennensystem 10 enthält 24 Anlenncn-Unlergruppen 31. die in F ι g. 4 durch kleine Quadrate dargestellt sind und. wie I i g. 3 zeigt, jeweils vier senkrecht nach oben gerichtete Yagil.inzelaiitennen 33 enthalten.

Jede der in Fig.¹) durch einen Strich dargestellten Yagi-Fmzelantcnncn 33 besteht wie üblich aus einem Strahler, einem Reflektor und mehreren Direktoren.

Die Antennen-Untergruppen 31 sind in der aus F i g. 4 ersichtlichen Weise angeordnet und in drei Gruppen aufgeteilt, die den Fmpfangsantennenfeldern 32. 34 und 36 entsprechen. Die l-mpfangsaniennenfelder enthalten jeweils eine näheriingswcisc rautenförmige Anordnung von Antennen-Untergruppen 31 eier in F i g. 5 dargestellten Art. Der Absland der Antennen-Untergruppen 31 beträgt sowohl in Reihen- als auch in Spaltcnrichliing der Antcnnen-Untergruppenanordnung 31 vorteilhafterweise das l,4fachc der Scndewellenlänge. Die vier

F i g. 5 sind mit ihren Mitten an ilen Ecken eines Quadrats mit einer Seitenlange gleich der Hälfte ties Abstandes der Antennen-Untergruppen 3! angeordnet. Bei einer praktischen Ausführungsform des Gerätes gemäß Fig. 2 wurden folgende vorteilhafte Parameter verwendet:

Sendefrequenz "> 5.4 MII/

Wei.anlange i.bl m

Impulsdauer I us

Bercichsfensterbreite I 50 in

Sendespitzcnlei'-iung >00 kw

Impulswiederholungsfrcquen/ 8 kHz

mittlere Sendeleistung 4 kW
Anzahl der empfangenen Impulse,
über die Signale kohärent

gemittelt wurden 512
effektive Fläche des gesamten

Antennensystems ca. 1000 m-\

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Impulsradargerät zum Messen der Horizontalkomponente von Windgeschwindigkeiten in der Atmosphäre nach dem SAD-Verfahren durch Bestimmung der Driftgeschwindigkeit von Inhomogenitäten der Atmosphäre, die hochfrequente elektromagnetische Wellen reflektieren, mit einem aus einer Vielzahl von Einzelantennen bestehenden, im wesentlichen vertikal strahlenden Sendeantennenfeld, einem mit diesem gekoppelten, getasteten Hochfrequenzsender, weiterhin mit mindestens zwei Empfangsantennenfeldern, die in horizontalem Abstand voneinander angeordnet sind, und mit einer mit den Empfangsantennenfeldern gekoppelten is Signalverarbeitungsschaltung, die eine Einrichtung zum Korrelieren der von den verschiedenen Empfangsantennenfeldern nach Reflexion an den Inhomogenitäten empfangenen Signale enthält, dadurch gekennzeichnet, daß die Empfangsantennenfelder (32, 34, 36) aus beabstandeten Einzelantennen-Gruppen des Sendeantennenfeldes (30) bestehen, die über Sende-Empfangs-Schalter (38) wahlweise an einen gemeinsamen Sender (40) oder individuelle Empfangskanäle (42, 44, 46) anschließbar sind.

2. Impulsradargerät nach Anspruch t, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Empfangskanal (42, 44, 46) eine Demodulatoranordnung (74,76) enthält, die ein der Amplitude und ein der Phase der empfangenen Signale entsprechendes Ausgangssignal (Rebzs. /Abliefert.

3. Impulsradarger?·, nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichne', daß jeder Empfangskanal

35 (42,44,46) eine Zeitmultiplexschaltung (56,60) zum Aufteilen der empfangenen Signale auf verschiedene Entfernungsbereiche enthält

4. Impulsradargerät nach Anspruch 1, 2 oder 3, gekennzeichnet durch einen komplexen Korrelator (62) zum Korrelieren der Ausgangssignale von jeweils zwei Empfangskanälen (42,44,46).

5. Impulsradargerät· nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Empfangsantennenfelder (32, 34, 36) sämtliche Einzelantennen (33) des Sendeantennenfeides (30) enthalten.

6. Impulsradargerät nach einem der Ansprüche I bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Empfangsantennenfelder (32, 34, 36) jeweils mindestens 20, vorzugsweise mindestens 30 Einzelantennen (33) enthalten.

7. Impulsradargerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Mitten der Empfangsantennenfelder (32, 34, 36) an den Ecken eines Dreieckes angeordnet sind (F i g. 4).

8. Impulsradargerät nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Einzelantennen (33) aus Yagi-Antennen bestehen, von denen jeweils vier an den Ecken eines Quadrats angeordnet sind und die Quadrate rautenförmige Empfangsantennenfelder (32,34,36) bilden (F i g. 4 und 5).

9. Impulsradargerät nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Quadrate in einem Raster mit einer Seitenlange von etwa dem l,4fachen der Wellenlänge der hochfrequenten elektromagnetischen Schwingungen angeordnet sind.